Magnetic Nanoparticles-Induced Assembly with Endothelial cells for Vascularization

Abstract

Engraftment is crucial for cellular survival and the functions of transplants in tissue engineering. When an organ deficit has occurred due to genetic or acquired reasons, organ transportation or cell therapy is a possible treatment. Vascularization around a transplant is significant for the transplant to have long-term viability. To construct a blood vessel-rich environment, vascularization strategies are needed. This study attempted to promote vascularization after transplantation by assembling endothelial cells around spheroids using magnetic nanoparticles (MNPs) and magnetic force. MNPs were extracted from Magnetospirillum sp. AMB-1 that are biocompatible and spontaneously uptake by cells. The spheroids made by a mouse myoblast C2C12 in this study were intended to represent general organoids. HUVEC was assembled around the spheroid to facilitate vascularization. Briefly explaining the assembly method, C2C12 cells with 20 μg/mL MNPs were seeded on a round bottom ultra-low attachment (ULA) plate which was stacked on neodymium magnets and incubated for 2 days to form the spheroid. MNPs-treated HUVECs were added to the spheroids and assembled around the spheroids on magnets for 1 day. MNPs-internalized HUVECs showed no inhibition of vascularization-related gene expressions. The assembly sprouted their vessel around the spheroid on Matrigel. Finally, the assembly which was transplanted into the murine kidney rapidly engrafted within 3 days, its transplantation resulted in vascularization in the murine hindlimb. This magnetic assembly system is expected to be used as a universal technology for the rapid engraftment and vascularization of transplants.

조직 공학적 관점에서 생착은 이식체의 생존 및 기능에 필수적이다. 유전 혹은 후천적 이유로 인해 장기의 손상이 발생하여 세포 치료제나 장기 자체를 이식하고자 할 때, 성공적인 장기간 생존을 위해서는 이식체 주변의 혈관 형성이 필수적이다. 혈관이 풍부한 환경을 조성하기 위해서는 혈관화 전략들이 필요하다. 본 연구에서는 자성 나노 입자를 활용하여 스페로이드 주변에 혈관 내피 세포를 강제로 응집하여 어셈블리를 형성하고, 이식 이후의 생착을 위한 혈관화를 도모하고자 하였다. 자성 나노 입자는 자기주성 세균의 한 종인 AMB-1에서 생추출하여, 생체적합적이면서 세포에 자발적으로 내재화된다. 본 연구에서 수많은 오가노이드 이식체를 대표하기 위해 사용된 스페로이드는 쥐 근원세포인 C2C12를 사용하였고, 생착에 이용되는 혈관 세포는 HUVEC을 사용하였다. 20 μg/ml의 자성 나노 입자를 24 시간동안 섭취한 C2C12를 둥근 바닥의 초-저부착 배양접시에서 배양하였다. 이때 바닥에 둥근 네오디움 자석을 두어 구체 형성을 2 일간 진행하였다. 형성된 스페로이드에 자성 나노 입자를 내재화한 HUEVC을 추가하고, 마찬가지 방법으로 자석을 이용해 스페로이드 주변에 응집시킨다. 자성 나노 입자를 섭취한 HUVEC이 VEGFR1, VEGFR2, TIE2를 포함한 혈관 신생 관련 유전자 발현의 저해를 보이지 않음을 확인하였다. 만들어진 어셈블리는 in vitro에서 주변으로 혈관 세포가 뻗어 나가는 생착 능력을 확인하였다. 또한 쥐의 콩팥 막으로의 이식을 통해 형성된 어셈블리가 3일 이내에 빠르게 생착됨을 확인하였고, 하지허혈 모델에 근육으로의 이식을 통해 혈관화 능력에 대한 평가를 수행하였다. 이 기술이 다양한 이식체의 빠른 생착을 위한 범용적인 기술로 활용될 것을 기대한다.